損傷組織の定量化技術の研究, 溶接部の高温損傷の定量化技術; 先行基礎工学分野に関する平成11年度報告書

門馬 義雄*; 山崎 政義*; 永江 勇二; 加藤 章一; 長谷部 慎一; 青砥 紀身

JNC TN9400 2000-044, 22 Pages, 2000/03

JNC-TN9400-2000-044.pdf:1.37MB

高速炉プラントの新構造材料および寿命診断技術の開発では、従来強度評価の補強資料として定性的理解のみに用いられてきた材料組織の微視的観察結果とその分析データを定量的に把握し、組織変化が材料特性におよぼす効果あるいは相関性を評価する手法の確立が必要である。特に炉心構造健全性を保証するために、溶接継手部における高温長時間強度特性と組織変化の関係を明らかにする技術開発のニーズが高い。このため、高速炉容器の溶接金属について、クリープによる組織の経時変化を定量化する技術に取り組んだ。本研究では、まず高速炉容器用に開発された316FR鋼を母材として、16Cr-8Ni-2Moおよび共金系(18Cr-12Ni-Mo)の溶接金属のクリープ試験を823および873Kで行い、37,000hまでのクリープ破断データを取得することにより、そのクリープ特性を明らかにした。さらにクリープ破断した試験片平行部の組織観察を行い、析出物の面積を定量化し、その経時変化とクリープ損傷の対応についての検討を行った。溶接金属のクリープ強度は高応力短時間側で16Cr-8Ni-2Mo系が共金系よりも小さいが、低応力長時間側では16Cr-8Ni-2Mo系と共金系のクリープ強度が同等になる傾向がみられた。また、クリープ破断延性は16Cr-8Ni-2Moの方が共金系よりも優れていることがわかった。さらに、溶接金属の823Kでの低応力長時間および873Kではフェライト中に析出した相界面に発生する割れがクリープ破壊の起点となることを明らかにした。16Cr-8Ni-2Mo系溶接金属の析出量はいずれの温度時間においても共金系溶接金属よりも少ない。析出物の変化はマグネゲージで測定した残留フェライト量の変化と良く対応しており、フェライト量が時間の経過と共に減少するのに伴い、析出量は増加することを明らかにした。16Cr-8Ni-2Mo系溶接金属のクリープ破断材平行部の析出量とクリープ破断時間(対数)との関係をLarson-Millerパラメータ(LMP)で整理すると、1次式で表すことができ、この式から16Cr-8Ni-2Mo系溶接金属の析出量の予測が可能になった。

Simulation of creep test on 316FR stainless steel in sodium environment at 550

Satmoko, A.*; 浅山 泰

JNC TN9400 99-035, 37 Pages, 1999/04

JNC-TN9400-99-035.pdf:1.54MB

本研究ではFortranを用いた解析により、高速炉条件を模擬して550のナトリウム中で行われた単軸クリープ試験結果をシミュレートし、浸炭が316FRのクリープ挙動に及ぼす影響を評価した。解析は試験と同様に、2段階で実施した。第1段階として、クリープ試験の直前に負荷される降伏応力よりも大きい荷重あるいは応力を弾塑性挙動で模擬した。第2段階では負荷荷重が一定に保たれクリープが生じる。断面減少により応力が増加するため、塑性成分も考慮する必要がある。これを、弾塑性クリープ挙動を用いて模擬した。時間の経過とともに浸炭が生じるが、これは経験的式により評価した。浸炭により、降伏応力の増加、クリープひずみ速度の減少およびクリープ破断強度の増加が生じる。このようにして作成したモデルにより、ナトリウム中クリープ試験のシミュレーションを行うことができる。表層近傍の材料では浸炭が生じると、材料特性が変化し、応力分布が一様でなくなる。これにより応力集中が生じ、損傷を受ける。損傷クライテリアを導入することにより、き裂発生およびき裂進展の評価が可能となる。高応力では、クリープ強度ではなく引張り強さが破損クライテリアとなる。しかし、低応力では、クリープ強度が破損クライテリアとなる。この結果、高応力では、ナトリウム中クリープ破断時間は大気中よりも短い予測となるが、26kgf/mm2乗以下の応力では、ナトリウム中クリープ破断時間は大気中と等しいかやや長い予測となる。定量的には、浸炭の影響は、550では大きくない。この結果は試験と良く一致した。

Nb基およびMo基超耐熱合金の特性評価

森永 正彦*; 野田 賢二*; 古井 光明*; 小田 雅章*

PNC TJ9603 97-001, 95 Pages, 1997/03

PNC-TJ9603-97-001.pdf:3.95MB

【目的】 高温液体アルカリ金属技術のフロンテイア領域を開拓するため、高温(最高1200)液体金属リチウム中で優れた特性を有するNb基およびMo基合金の開発を行ってきた。本年度の研究ではMo基選定合金について、その強度特性および液体Li耐食性を評価することを目的とした。また本年度選定を行う予定のNb基合金については、液体Li耐食性を試験した。【実験方法】(1)高温引張試験:Mo基選定基合金の引張試験を、1473Kアルゴン雰囲気中において行った。比較材としてTZM合金を用いた。(2)高温クリープ試験:Mo基選定合金の高温クリープ試験を、1473Kアルゴン雰囲気中で行った。(3)加工性試験:Mo基選定基合金の加工性を評価するため、常温において3点曲げ試験を行った。(4)液体Li腐食評価:Nb基およびMo基選定合金の1473Kでの液体Li腐食試験の重量変化と表面分析結果を基に耐食性を評価した。【結果および考察】(1)高温引張試験:Mo基選定合金は実用TZM合金と比較して約1.5倍の引張強度、2.3倍の降伏強度を示した。また、2種類のMo基選定合金において顕著な強度の違いは見られなかった。(2)高温クリープ試験:Mo基選定合金のクリープひずみ速度は、他のMo基固溶強化型合金よりも小さかったが、析出強化型合金であるTZMに比べれば大きかった。(3)加工性試験:加工性の向上に有効であるTiの添加に関わらず、Mo基選定合金は最大曲がり角度まで破断することなく曲がった。(4)液体Li腐食評価:腐食試験後のNb-Hf合金の重量変化は添加したHf量の増加に伴って大きくなり、同時に亀裂の発生が著しくなる傾向が見られた。このため、Hf量が少ないNb-1Hf合金が最も優れていると思われた。Mo基選定合金ではTiを添加した合金が大きな重量変化を示したが、Tiを添加していない合金では粒界腐食が見られた。したがって、腐食表面が健全なMo-15Re-0.1Zr-0.1Ti合金がより優れた耐食性を有するものと考えられる。【結論】(1)引張強度:Mo基選定合金は実用TZM合金よりも優れた引張特性を示した。(2)高温クリープ強度:Mo基選定合金は優れた高温クリープ特性を有していた。(3)加工性:Mo基選定合金はTi添加の有無に関わらず、優れた加工性を示した。(4)液体Li耐食性:Nb基選定合金では、Nb-

治金的不連続と形状不連続を考慮した溶接構造物クリープ疲労評価法の開発 -弾性追従モデルの溶接継手への適用-

笠原 直人

PNC TN9410 95-213, 38 Pages, 1995/08

PNC-TN9410-95-213.pdf:1.72MB

溶接継手のクリープ疲労強度は母材に対して一般に低下するが、従来の構造設計においては、保守的に決めた定数を用いて強度減少割合を評価する方法が広く用いられていた。これに対し、近年の高温構造設計の経済性と信頼性向上の要求に伴い、溶接継手の強度低下メカニズムを考慮した、より精緻な評価手法が必要とされるようになった。このため溶接継手の強度低下の主要因として以下の3点に着目し、このなかの力学的要因である、要因1と要因2の影響を弾性追従モデルの拡張により記述する方法を開発した。要因1:母材と溶接金属の治金的不連続要因2:溶接余盛り等の形状不連続要因3:溶接金属自体の材質劣化要因1の記述には、応力-ひずみ特性の異なる2種類の材料が接合された構造を記述する弾性追従モデルの提案を行った。さらに要因2については、本研究に先立ち提案した切り欠きに対する弾性追従モデルと治金的不連続に対するモデルの重畳により評価できるようにした。本モデルによる応力・ひずみ挙動の予測精度は、有限要素法による弾塑性解析結果との比較により実用的なものであることかが分かった。さらに、大洗工学センターのTTSを使用して得た溶接構造物の熱過渡強度試験データを用いて、溶接構造物クリープ疲労評価への適用性を確認した。

高速炉用構造材料の高温き裂進展特性

小井 衛

PNC TN9410 90-105, 163 Pages, 1990/07

PNC-TN9410-90-105.pdf:2.32MB

これまでに取得してきたSUS304,2.25Cr-1Mo鋼,Mod.9Cr-1Mo鋼の母材や溶接部の、高温疲労およびクリープき裂進展データをとりまとめ、指数関係を仮定して平均線の定式化を行うとともに、進展速度の確率論的評価を実施した。また実機のき裂進展評価上重要な修正J積分評価に関する知見を得る目的で、2次元貫通き裂の有限要素法解析を実施し、試験結果と比較して評価精度の検討を行った。得られた結論は以下の通りである。(1) いずれの鋼種においても、疲労き裂進展速度は繰返しJ積分範囲をパラメータとして、またクリープき裂進展速度は修正J積分をパラメータとして、評価できることが明らかとなった。(2) いずれの鋼種においても、疲労き裂進展速度、クリープき裂進展速度とも、圧延材と鍛造材、母材と溶接部(溶接金属,ボンド部,HAZ部)の間に有意差は認められなかった。(3) SUS304,2.25Cr-1Mo鋼,Mod.9Cr-1Mo鋼の疲労およびクリープき裂進展速度の平均傾向を、繰返しJ積分範囲および修正J積分をパラメータとした指数則により定式化した。(4) 上記の指数則の係数と指数が同時正規確率関数に従うと仮定して、き裂進展速度の確率的評価を行い、平均傾向からのバラツキを定式化した。(5) 2次元貫通き裂の有限要素法解析結果から、修正J積分の時間積分であるクリープJ積分範囲の簡易予測式を開発した。この式による予測結果を試験結果と比較した結果、良好な一致を示すことが明らかとなり、これまでに動燃事業団が開発してきた3次元表面き裂のJ積分評価法の妥当性が確認された。

昭和62年度高速増殖大型炉の設計主要目に関する研究; 漏洩口想定の適正化

渡士 克己; 吉田 博治*; 古橋 一郎*

PNC TN9410 88-147, 215 Pages, 1988/09

PNC-TN9410-88-147.pdf:10.23MB

本研究は、安全設計上想定する漏洩口面積を適正化する一手段であるクリープ疲労き裂進展挙動を測定する手法の高度化を非線形破壊力学に基づいて実施し、ホットレグ配管に適用することを目的とする。前年度開発したCANISコードにて、公称応力+-1.5Smの膜、曲げおよびこれらの組合せ応力を受ける種々の表面半楕円き裂を有する平板の疲労J積分およびクリープJ積分のデータを作成し、これを用いてエルボの最大応力発生場所のき裂進展計算を行った。結果:(1)板厚20.6mm、500におけるき裂進展データベースを作成した。(2)初期想定欠陥(長さ41.2mm、深さ4.12mm)の進展に伴う形状変化は疲労でもクリープ疲労でも殆ど同一である。(3)貫通繰返し数は疲労で6250(膜応力)30,520(曲げ応力)サイクル、クリープ疲労で3031534(同上)サイクルである。(4)開口面積は内圧(2atg)に対するものが1.5Sm相当の曲げモーメントに対するものより大きく、約0.5mm2である。(5)最大漏洩率は約23-/hrである。安定き裂進展のシミュレーション技術の高度化はほぼ終了した。今後曲率の影響調査及び実験による検証が必要である。

Creep Strength of the Uranium Monocarbide Containing Small Quantity of Uranium Monosulfide

菊地 章; 福田 幸朔

JAERI-M 5675, 14 Pages, 1974/04

JAERI-M-5675.pdf:0.53MB

多結晶一炭化ウランおよび3.2、8.0wt%の一硫化ウランを含んだ一炭化ウラン(UC、UC-3.2wt%US、UC-8.0wt%US)がアーク熔解で調整され、応力緩和法による一次クリープ強度が、真空中、1460Cまでの温度で測定された。また、同試料の高温硬度が1100Cまでの温度で測定された。試料における応力緩和曲線は典型的な一次クリープにみられる対数型で表示され、クリープ強度は一硫化ウラン含有量の増加とともに増大した。温度およびUS含有量の函数として、R.Changの定義にもとづく活性化体積の変化がみられ、計算の結果、それらは約210~110cmの範囲にあることが判った。さらに、UCマトリックスの高温硬度はUS含有量の増加につれて増大し、特に高温においてその効果の著るしいことが判った。

Current status and issues on ODS tempered martensitic steel development for performance enhancement of advanced nuclear power system

大塚 智史; 丹野 敬嗣; 矢野 康英; 藤田 江示; 静川 裕太; 橋立 竜太; 鬼澤 高志; 皆藤 威二; 伊藤 主税

no journal, , 

核融合炉および高速炉の実用化のためには、高温と高線量の中性子照射が重畳する過酷な炉内環境に耐える先進材料の開発が必要である。現在、耐照射性材料として様々な仕様の酸化物分散強化型(ODS)鋼の開発が国際的に進められている。日本原子力研究開発機構(JAEA)では、ナトリウム冷却高速炉の高燃焼度燃料被覆管用に9Cr,11Cr-ODS焼き戻しマルテンサイト鋼の開発を進めている。本件では、JAEAにおける当該材料の開発状況をレビューするとともに、核融合炉および高速炉等の先進原子力システム用の材料開発に関わる共通課題について議論する。